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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Civil
PILOTES EXCAVADOS PARA CIMENTACIONES PROFUNDAS
APLICACIÓN PUENTE IGNACIO ESCUDERO
ESTUDIO HIDROLÓGICO Y DE HIDRÁULICA FLUVIAL
INFORME DE SUFICIENCIA
Para optar el Título Profesional de: INGENIERO CIVIL
PIERO YT ALO SO USA DONA YRE
Lima-Perú
2007
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACUL TAO DE INGENIERIA CIVIL INFORME DE SUFICIENCIA
PILOTES EXCAVADOS PARA CIMENTACIONES PROFUNDAS
APLICACIÓN PUENTE IGNACIO ESCUDERO -
ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIDRAULICA FLUVIAL
CARRETERA EJE VIAL #01 DPTO. PIURA
PROGRESIVA 1043-000
RESUMEN
INTRODUCCION
CAP. 1 GENERALIDADES
1.1 UBICACIÓN GEOGRAFICA
INDICE
1.2 IMPORTANCIA DEL PROYECTO
1.3 REDES VIALES
1.4 INFLUENCIA DEL FENOMENO "EL NIÑO"
1.5 INFRAESTRUCTURA DEL PROYECTO
CAP. 11 MARCO TEORICO
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2.1 SIMULACION HIDRAULICA 12
2.1.1 Curvas de flujo gradualmente variado 12
2.1.2 Modelamiento hidráulico en puentes usando el software HEC-RAS 19
2.2 SOCAVACION EN PUENTES 21
2.2.1 Método de Laursen 22
2.2.2 Método de Colorado State University 24
2.2.3 Método de Froelich 28
2.3 PROTECCION CON ENROCADO 29
CAP. 111 INFORMACION DE ESTUDIOS DISPONIBLES 34
3.1 EVALUACION HIDROLOGICA 34
3.2 TOPOGRAFIA 39
3.3 GEOTECNIA Y GEOLOGIA 41
3.4 RESUMEN 42
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CAP. IV MODELAMIENTO HIDRAULICO DEL FLUJO USANDO EL
SOFTWARE HEC-RAS
CAP. V CALCULOS DE SOCAVACION EN PUENTES
5.1 CARACTERISTICAS DE LA SECCION DE INTERES
5.2 SOCAVACION POR CONTRACCION
5.3 SOCAVACION LOCAL
5.4 OBRAS DE PROTECCION Y ENCAUZAMIENTO
CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
BIBLIOGRAFIA
ANEXOS
• PLANO DE UBICACIÓN
• PLANO TOPOGRAFICO
• CUENCA HIDROGRAFICA
• PERFIL ESTRATIGRAFICO
• RESULTADOS OBTENIDOS HEC-RAS
• ALBUM FOTOGRAFICO
• PLANOS AUTOCAD
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RESUMEN
RESUMEN
El presente informe de suficiencia describe el Estudio Hidrológico y de Hidráulica
Fluvial de Pilotes Excavados para Cimentaciones Profundas aplicados al Puente
"Ignacio Escudero", ubicado en la carretera Eje Vial #01- Progresiva PK
1043+000, departamento de Piura.
Dicho puente permitirá el tránsito normal en la quebrada Ignacio Escudero que
atraviesa la carretera Eje Vial #01 en la progresiva PK 1043+000.
Aparentemente la quebrada Ignacio Escudero se encuentra con poco caudal,
pero un evento importante en el año 1998 relacionado con el fenómeno "El Niño"
se manifestó con avenidas imprevistas (lodos y rocas) y dañó parte de la
carretera.
Se ha tomado como referencia el desarrollo del Modelamiento Hidrológico con el
Software HEC-HMS realizado por la entidad encargada del proyecto para el
cálculo del caudal de diseño, teniendo en cuenta los parámetros de la cuenca en
estudio. Las características hidráulicas de la sección donde se emplaza en
Puente serán re-calculadas simulando el comportamiento de la Quebrada
empleando el Software HEC-RAS.
Según lo descrito anteriormente, se desarrollará el Estudio corroborando los
resultados mediante metodologías modernas con lo observado en campo y lo
descrito por los pobladores de la zona.
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACUL TAO DE INGENIERIA CIVIL ANTECEDENTES
ANTECEDENTES
La Quebrada Ignacio Escudero discurre perpendicular a la Carretera
Panamericana, con un ancho de cauce variable de 150 a 300 metros y un tirante
de 2 a 3 metros aproximadamente. Actualmente existe un desvío provisional
para el paso del tráfico que se levanta sobre el fondo del cauce unos 2 metros.
Este desvío dispone de tres obras de drenaje, formadas por tuberías metálicas
reforzadas de concreto hidráulico, dispuestas en tres de los ramales de agua
que componen actualmente la quebrada. Las obras de drenaje están reforzadas
aguas abajo y aguas arriba con gaviones tipo colchón. El ancho del desvío es de
11 metros y dispone de un pavimento de concreto asfáltico.
De acuerdo con los estudios realizados, tanto a nivel de diseño geométrico como
de estudios topográficos, hidrológicos y estructurales, en esta quebrada se ha
proyectado un puente de 250 metros de longitud, compuesto de 7 vanos de 30
metros y 2 vanos en los extremos de 20 metros cada uno.
En los accesos al puente se han proyectado las cunetas de pié de terraplén,
sardineles y bajantes para encauzar el agua, hacia la quebrada, evitando
afecciones a los taludes de los rellenos o terraplenes.
Los parámetros indicativos de la obra son los siguientes:
• Longitud de la actuación incluyendo el puente es de 833.641 metros.
• El ancho de calzada es de 7.20 metros (2 carriles de 3.60 m).
• El ancho de bermas es de 2.25 metros.
• El ancho de veredas es de 1.20 metros.
Todo ello define un ancho de plataforma de la vía de 14.10 metros.
El presupuesto total del proyecto es de S./ 8,205,764.67
Como consecuencia del evento del fenómeno "El Niño" de 1998, el curso del
agua natural (quebrada "Ignacio Escudero") se activó, trayendo consigo
descargas máximas de tipo torrentoso, lo cual originó el deterioro del antiguo
puente.
Con la finalidad de mantener el tránsito, existe la necesidad de proyectar una
superestructura compatible con el régimen hidráulico de la quebrada.
La ubicación del nuevo puente, denominado "Ignacio Escudero" va a estar sujeto
principalmente a los siguientes factores:
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• Características Hidrodinámicas de la Quebrada Ignacio Escudero que
comprometan la estructura.
• Topografía del lugar.
• Tipo de material donde se emplazará la cimentación de la nueva
estructura.
JUSTIFICACION
Se elige el presente tema debido a que los pilotes excavados han sido una
solución fundamental en la cimentación de muchos puentes en el Perú, por eso
es necesario conocer a fondo los alcances y las limitaciones de este tipo de
pilotes en la cimentación de los puentes.
Por tanto, la evaluación hidráulica de la quebrada Ignacio Escudero permitirá
verificar el nivel del tablero del puente y la profundidad de cimentación de los
apoyos a fin de que el puente cumpla con brindar continuidad de servicio ante la
ocurrencia de eventos de diseño.
Este informe espera además contribuir con alcances acerca de las metodologías
disponibles para el cálculo de la socavación.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El principal problema en la zona norte del país es combatir los daños causados
por el fenómeno de El Niño, el cual en períodos anteriores causó destrozos,
haciendo colapsar innumerables puentes y causando inundaciones.
A fin de mantener una vía estable no obstante los fenómenos nombrados, es
que se realiza el proyecto de un puente que se mantenga en servicio y sea
capaz de soportar estos fenómenos extremos.
La cimentación de un puente mediante pilotes asegura la permanencia del
puente aún cuando una gran cantidad de terreno de la cimentación sea
socavado.
Los pilotes se dan como alternativa de cimentación cuando no es posible hacer
una cimentación superficial debido a que los estratos superiores son altamente
compresibles y demasiado débiles para soportar la carga transmitida por la
superestructura.
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En muchos casos se requiere que el pilote alcance grandes longitudes, y los
pilotes excavados son concebidos para este propósito; además soportan mucha
mayor carga que los pilotes hincados. En base a la experiencia se puede
determinar que por cada pilote excavado se necesitarían entre 5 o 6 pilotes
hincados.
Según el tipo de cimentación y la evaluación hidráulica podrá determinarse la
profundidad de socavación y evaluar si está no compromete a los apoyos mas
allá de lo considerado en el diseño.
DEFINICION DE LOS OBJETIVOS
El presente Estudio tiene como objetivo rediseñar las obras designadas al
presente proyecto utilizando el caudal de diseño del curso de agua
correspondiente al área de ubicación del futuro puente "Ignacio Escudero",
calculado por la entidad encargada del proyecto como dato, para poder re
calcular las profundidades máximas de socavación en la zona de los apoyos; así
como redimensionar las obras de defensa y/o encauzamiento de la quebrada.
Por consiguiente, el capítulo de Hidrología e Hidráulica Fluvial persigue alcanzar
lo siguiente:
• Usar la Descarga Máxima de Diseño estimada por la entidad encargada
del proyecto en la sección de interés donde se emplazará la nueva
Superestructura.
• Re calcular los Niveles de Inundación para la Avenida de Diseño y
compararlas con las también estimados por la entidad antes mencionada
para evaluar la factibilidad del proyecto.
• Calcular los Niveles de Socavación del Puente con fines de Diseño.
• Diseñar las Obras de Protección y/o Encauzamiento y definir las zonas
donde se emplearán.
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INTRODUCCION
INTRODUCCION
El Estudio Hidrológico y de Hidráulica Fluvial de Pilotes Excavados para
Cimentaciones Profundas aplicado al Puente Ignacio Escudero se divide en 5
capítulos; en el primero se incluyen las generalidades, tales como Ubicación
Geográfica, Importancia e Infraestructura del Proyecto, Redes Viales, así como,
la influencia del Fenómeno de "El Niño" en la zona.
El Capítulo 11, describe la teoría completa que será utilizada en la elaboración del
estudio y que posteriormente será aplicada para la obtención de resultados de la
investigación.
El Capítulo 11, presenta la información disponible de estudios realizados por la
entidad encargada del proyecto tales como las características de la zona del
proyecto, los factores analizados para la formulación del diseño del puente, así
como la descripción de la información que servirá de base para la elaboración
del estudio.
Los cálculos, diseños y los análisis numéricos así como las obras
complementarias necesarias serán plasmados en los Capítulos IV y V, aquí se
podrán conocer las características del diseño propuesto del puente en estudio,
después de obtenidos los resultados del análisis.
Por último se enumeran las conclusiones y recomendaciones, con los resultados
de los cálculos, así como los criterios ingenieriles usados en el diseño del
proyecto. Se agregan los anexos, donde se incluye planos topográficos y de
ubicación del proyecto, planos de detalles y el respectivo álbum fotográfico.
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CAPITULO 1
GENERALIDADES
1.1 UBICACIÓN GEOGRÁFICA
CAPITULO/
El distrito de Ignacio Escudero se encuentra ubicado en la margen derecha del
río Chira y a unos 35 m.s.n.m. Su ubicación geográfica, latitud sur 04°50'35" y
longitud oeste 80°52'12". Dista 25 Kms de la ciudad de Sullana, vía
Panamericana. Tiene una extensión territorial de 306.53 kms2, una población de
14,765 habitantes y está ubicada en la región Piura.
La capital de Ignacio Escudero es San Jacinto, pero más se le conoce como
"Cerro Mocho".
FOTO 1.- P.K. 1043+000
, QUEBRADA IGNACIO ESCUDERO t . - . .. . . .. .
Figura 1.01 Quebrada Ignacio Escudero
Situación actual
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N
+ OCEANO
PACIFICO
CAPITULO/
FOTOS 23 24 .. P.K. 1173+000 QUEBRADA El ABEJAL ECUADOR
•• L .L.'
PERÚ FOTOS 15 16.- P.K.. 1104+000 ... - ·.........
·�- ·
..: ¡' ,, _,._
QUEBRADA HONDA •
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FOTOS13 14.- P.K.1099+000 ···�-:-.. _ .... .':·· ".::�·:···· QUEBRADA JABONILLAL
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ESfUDIOS DE DISEÑO PARA REHABILITACIÓN DE LA CARRETERA PIURA- GUAYAQUIL
Figura 1.02 Ubicación del proyecto
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1.2 IMPORTANCIA DEL PROYECTO
CAPITULO/
El presente proyecto es de gran importancia ya que evalúa y re calcula la
información existente realizada por la empresa encargada del mismo.
De este modo, se ha tomado la información necesaria para realizar los estudios
de hidrología y de hidráulica fluvial y poder hacer una comparación entre lo
calculado y lo diseñado por la entidad encargada del proyecto con el fin de llegar
a concluir la factibilidad del proyecto.
Así mismo, se han evaluado y calculado las obras adicionales del proyecto que
se proyectaran de ser necesarias para el correcto funcionamiento del mismo.
1.3 REDES VIALES
Las redes viales existentes en el Perú datan en su mayoría de 30 a 40 años
atrás, razón por la cual es necesario realizar una evaluación y mantenimiento de
las mismas.
El puente que es motivo del presente estudio reemplazará al puente ya existente
el cual fue construido en el año 1970 y que por su antigüedad, uso y
dimensiones es necesario ser reemplazado.
En este sentido, el presente proyecto reemplazará al puente Ignacio Escudero
ya existente por una super estructura de mayor longitud y con mayor capacidad
portante.
1.4 INFLUENCIA DEL FENOMENO "EL NIÑO"
La influencia del fenómeno "El Niño" repercute significativamente en la mayoría
de estructuras ubicadas en la costa peruana dañando las mismas desde sus
cimientos debido a una socavación masiva.
Para el presente proyecto se han considerado máximas avenidas calculadas
para tiempos de retorno altos como lo son los de 100 y 500 años, los cuales
aseguran que el diseño del puente sea el adecuado y pueda soportar la
influencia de las aguas.
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1.5 INFRAESTRUCTURA DEL PROYECTO
CAPITULO I
El nuevo puente Ignacio Escudero ha sido diseñado para poder soportar un
mayor flujo de transito así como la máxima avenida de diseño.
En este sentido, se han diseñado pilares de gran dimensión los cuales son
ubicados sobre pilotes excavados.
La losa del puente se apoya sobre vigas de gran dimensión que aseguran su
resistencia ante eventos desfavorables.
Figura 1.03 Quebrada Ignacio Escudero
Vista Lateral aguas arriba
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CAPITULO 11
MARCO TEORICO
2.1 SIMULACIÓN HIDRAULICA
2.1.1 CURVAS DE FLUJO GRADUALMENTE VARIADO
CAPITULO 11
Se utilizan las técnicas de flujo gradualmente variado principalmente para
determinar el nivel de la superficie del agua para un caudal dado dentro de un
canal natural o artificial cuya geometría (pendiente, perfiles longitudinales,
secciones transversales y rugosidad) es conocida. La energía total en un punto
dado es:
v2 H=y+z+-
2g
Derivando 2.01, se obtiene la siguiente expresión:
dH dy dz d( ;; J-=-+-+-'--------=-
dx dx dx dx
Pero V=Q/A, entonces V2 =Q2/A2, reemplazando en la ecuación anterior,
dH ldx = dyldx+dz/dx+ d
( � J dx
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(2.01)
(2.02)
(2.03)
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- ..... ....
...... .. .... - --- ...... ---
�------------------ --·�.,,..._�! _______, - - ... �
II = Z + Y + V-/(2g) V 2/(2g)
------------,:-=----------===- d y/di
y
z
Figura 2.1
CAPITULO 11
..... .. ...
La pendiente de la Línea de Energía, dH/dx, es -St. La pendiente del canal,
dz/dx, es -So. La pendiente de la superficie del agua es dy/dx. Esta derivación
es para un flujo permanente, por lo tanto el caudal Q, es constante; además la
aceleración g es constante. En el tercer término del miembro derecho de la
ecuación, la variable es A (el área de la sección transversal). De acuerdo a la
regla de la cadena.
dF(A) dF(A) dA dy
dx dA dy dx (2.04)
La función F(A) es: F(A)=Q2 / (2gA2
); por lo tanto su derivada es d
F(A)/dA=(Q2/2g)-(2A3). La siguiente figura explica el significado físico de dA/dy.
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dA = T dY ---> dA/dY = T
Figura 2.2
CAPITULO 11
Y es el tirante (profundidad) del flujo, al producirse un aumento diferencial en y,
se produce un aumento diferencial en el área, dA, en la sección transversal. El
ancho en la superficie es "T", por lo tanto el área del rectángulo sombreado es
dA = T dy, despejando, dA/dy = T.
Reemplazando en (2.04) se obtiene:
dF(A)/dx = (Q2/2g)/(-2A
3T)(dy/dx) (2.05)
Considerando que Q2/A2 es igual a V2 y reemplazando (2.05) en el tercer
miembro de la ecuación (2.03) se obtiene:
dH/dx = dy/dx + dz/dx - (V2)/ (gA/T)dy/dx
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(2.06)
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Simplificado, agrupando y considerando que dH/dx = -Sf, dz/dx = - So, y
reemplazando el parámetro adimensional V2/(gA/T) por Fr (número de Froude),
la ecuación (2.06) se convierte en:
So-Sf = dy / dx (1-Fr2)
dy/dx = (So-Sf)/ (1-Fr2)
ó
(2.07)
Esta expresión sirve para calcular las curvas de remanso en canales abiertos.
Es importante señalar que Sf es la pendiente de la línea de energía. Sf se puede
hallar usando la fórmula de Maning:
( AR ½ s1
½ ) Q=----- (2.08)
Q es el caudal (m3/s), A es el área de la sección transversal, R es el "radio
hidráulico" (A/P; P es el perímetro mojado, la longitud de contacto del agua con
el fondo sólido. R en metros) Sf es la pendiente de la línea de energía o
gradiente hidráulico (sin unidades) y n es el coeficiente de Manning que depende
de la rugosidad ( sin unidades). El coeficiente de rugosidad es quizás el más
difícil de determinar. Sf puede hallarse despejando de (2.08).
Sf = n2 (Q/A)2 / ( R413
) (2.09)
La ecuación (2.09) es la que mayormente se utiliza en los cálculos de las curvas
de remanso para calcular Sf, el gradiente de la línea de energía. La siguiente
figura ayuda a entender cómo se utiliza la derivación anterior.
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AY= Ax dY/dx
y
CAPITULO 11
y
Figura 2.3
Si el tirante en la sección x es conocido, se quiere conocer el tirante en la
sección x+�x. Usando las ecuaciones (2.07) y (2.09), se determina dy/dx, el
tirante en la sección x+� será:
dy
�+D.x = � + Llx dx (2.1 O)
En la práctica se utiliza la ecuación (2.1 O) por tanteos, asumiéndose un tirante
en la sección x + � y rehaciendo los cálculos hasta que el tirante es hallado o
hallando la distancia� en la cual el tirante del canal es y. Ambos métodos son
equivalentes, sin embargo los procedimientos varían ligeramente.
Además se debe recordar que en ocasiones los canales pueden cambiar de
sección transversal (ensanchamiento o angostamiento). Esto induce pérdidas de
carga que son que son proporcionales al cuadrado de la velocidad inicial (V2/2g).
Los coeficientes de expansión y contracción son 0.3 y 0.1 respectivamente.
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Método del Paso Estándar
Ecuación de la Energía
Nivel de referencia
Consideraciones:
Figura 2.4
En una sección debe existir un tirante conocido:
(2.11)
• Si el flujo es sub-crítico: se debe conocer la sección Aguas Abajo
• Si el flujo es supercrítico: se debe conocer la sección Aguas Arriba
Se considera que el flujo es gradualmente variado y permanente
• En un tramo no existe variación de caudal. Si existe variación de caudal,
debe incluirse aguas arriba en cada tramo.
• La pendiente del canal es pequeña (menor a 10 grados).
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Procedimiento de Cálculo
CAPITULO 11
• En la sección 1 conocida se calcula el Área (A), Perímetro (P), Radiohidráulico (R = A/P), Velocidad ( V=Q/A).
• La cota de la línea de energía será:
v2
H=Z+Y+-2g
• Se calcula la pendiente de la línea de energía:
v2n2
Sf=-v R13
Cálculo del nivel en la sección 2
(2.12)
(2.13)
• En la sección 2, se calcula el nivel de fondo del canal. Si la pendiente es
constante:
• Se asume un tirante Y 2
(2.14)
• Con el tirante Y 2, se calcula el área A2, el perímetro P2, el radio R2 , lavelocidad V 2 = Q / A2
• Se calcula H 1 (2) =Z2 + Y 2 + V2 / (2g)• Calcular la pendiente de la línea de energía en el punto 2:
V2n2
S/2 = R413
• Calcular la media de la Sf1 y Sf 2
Sfi_2 = (Sfi + SJ;)2
• H(2) = H(l)+Sfi_2&+he
(2.15)
(2.16)
• Se compara H 1 (2) con H(2) de 2, estos valores deben ser iguales. Si nolo son, se aplica una corrección al tirante.
• Corrección, �½
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(2.17)
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• Y 2 (corregido) = Y 2 - 8 Y 2
• Se continúa en la sección 2 hasta que H1 y H convergen con una
tolerancia adecuada. Una vez que el nivel es hallado se toma esta
sección como la conocida y se pasa a la tercera sección.
2.1.2 MODELAMIENTO HIDRAULICO EN PUENTES USANDO EL
SOFTWARE HEC-RAS
Hec-Ras es un sistema integrado de softwares, diseñado para su uso interactivo
en un entorno de multitareas. El sistema separa los componentes del análisis
hidráulico, almacenamiento de información, capacidad de gestión y facilidades
de gráficos
El Hec-Ras contiene tres componentes de análisis hidráulico unidimensional
para:
• Cálculos del perfil de la superficie de agua en flujo permanente.
• Simulación de flujo no permanente.
• Cálculos de capacidad transporte de sedimentos de lechos móviles
Un elemento clave es que los tres componentes usarán una representación de
datos geométricos comunes y rutinas de cálculos hidráulicos. Además de los tres
componentes de análisis hidráulicos, el sistema contiene varias características
de diseño hidráulico que pueden ser invocados una vez que el perfil de la
superficie de agua es calculado.
La versión actual de HEC-RAS acepta los cálculos del perfil de la superficie de
agua de flujo fijo e irregular.
Componentes del Análisis Hidráulico
Peñiles de la Supeñicie de Agua en Flujo Permanente
Este componente del sistema de modelamiento está propuesto para cálculo del
perfil de la superficie de agua en flujo permanente gradualmente variado. El
sistema puede manipular una red completa de canales, un sistema dendrítico o
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un simple río. El componente del flujo fijo es capaz de modelar flujos subcrítico,
supercrítico y perfiles de superficie de agua de flujo mixto.
El procedimiento de cálculo básico está basado en la solución de la ecuación de
energía unidimensional. Las pérdidas de energía son evaluadas por fricción
(Ecuación de Manning) y contracción (coeficiente multiplicado por el cambio en
la carga de velocidad). La ecuación de momentum es utilizado en situaciones
donde el perfil de la superficie de agua es rápidamente variado. Estas
situaciones incluyen cálculos de regímenes de flujo mixto. Los efectos de las
variadas obstrucciones como son los puentes, vertederos y estructuras en zonas
de inundación pueden ser consideradas en los cálculos.
El sistema de flujo permanente está diseñado para su aplicación en zonas de
inundación y estudios para prevenir inundaciones o evaluar el cauce ante una
avenida máxima. Además se pueden modelar el cambio en los perfiles de la
superficie de agua debido al mejoramiento de los canales y diques.
Entre las características especiales del componente de flujo permanente se
incluye: análisis de múltiples perfiles, puentes y/o análisis de alcantarillas y
optimización del flujo.
Simulación del Flujo No Permanente
Este componente del sistema de modelamiento HEC-RAS desarrolla la
simulación unidimensional de fluidos irregulares a través de una red completa de
canales abiertos. La solución de la ecuación del flujo no permanente fue
adaptado del modelo del Dr. Robert L. Barkau's (Barkau, 1992 y HEC 1997).
Este componente de flujo no permanente fue desarrollado inicialmente para
cálculo de régimen de flujo subcrítico. Sin embargo con la publicación de la
Versión 3.1 el modelo puede ejecutar cálculos para régimen de flujo mixto
(subcrítico y supercrítico) en el módulo de cálculos de flujo no permanente.
Los cálculos hidráulicos para secciones, puentes, alcantarillas, y otras
estructuras hidráulicas que fueron desarrollados por el componente del flujo
permanente fueron incorporados en el módulo del flujo no permanente.
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ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIDRAUL/CA FLUVIAL
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Transporte de Sedimentos/Cálculo de lechos móviles
CAPITULO 11
Este componente del sistema de modelamiento está propuesto para la
simulación unidimensional de transporte de sedimentos y cálculos de lechos
móviles resultado de la socavación y sedimentación en periodos de tiempo muy
moderados (generalmente años, no obstante es aplicable a eventos de fluido
simple).
El potencial de transporte de sedimentos es calculado para una fracción
pequeña, en consecuencia permite la simulación de clasificación y protección
hidráulica. Mayores características incluirán la capacidad para modelar una red
completa de corriente, dragado de canales, diques y alternativas de avance
gradual, así como el uso de diferentes ecuaciones para el cálculo de transporte
de sedimentos.
El modelo estará diseñado para simular tendencias a largo plazo de socavación
y sedimentación en un canal de corriente que pueda resultar de la modificación
de la frecuencia y duración de la descarga o de la modificación de la geometría
del canal. Este sistema puede ser usado para evaluar la sedimentación en
reservorios, diseñar contracciones de canales requeridos para mantener la
navegación, predecir la influencia de dragado sobre la velocidad de
sedimentación, estimar la socavación máxima durante una venida y evaluar la
sedimentación en canales estacionarios. (Army Corp of Engineers, 1998)
2.2 SOCAVACION EN PUENTES
En general se denomina erosión, socavación o degradación a la remoción que
efectúa el agua de las partículas sólidas constituyentes de un lecho fluvial y cuyo
resultado es una profundización del cauce. La erosión puede ser local o
generalizada.
La erosión local, o socavación propiamente dicha, está circunscrita a un lugar
determinado, y a veces también está limitada a una cierta duración y se debe a
una perturbación del flujo. Socavar significa "excavar por debajo alguna cosa,
dejándola en falso".
La socavación como fenómeno hidráulico, se origina en movimientos vorticosos
que ocurren al pie de determinadas estructuras hidráulicas, como un pilar o
estribo de puente, o en la descarga de un vertedero. La erosión local se
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERfA FACUL TAO DE INGENIERfA CIVIL CAPITULO 11
contrarresta con medidas de protección. Muchas veces, desde el punto de vista
del diseño, más importante que la cuantificación precisa de la erosión local sea
la determinación cualitativa, es decir, saber donde se espera que haya
socavación y saber cómo controlarla.
La erosión generalizada, o degradación, se produce a lo largo y ancho de un
cauce fluvial. La degradación del cauce es extensa y progresiva. Puede ocurrir
también una adición, una superposición de ambos tipos de erosión.
El estrechamiento excesivo del cauce por la construcción de un puente
determina una disminución de la sección trasversal, lo que implica aumento de la
velocidad y de la capacidad de transporte de la corriente. El resultado es la
profundización del cauce. Asimismo los pilares y estribos de puentes son
elementos extraños dentro de la corriente. Ellos producen, parc;1 cada caudal,
una socavación (erosión local) y es importante tener en cuenta que esta se
adiciona a la degradación del lecho (erosión generalizada) correspondiente al
caudal del cual se trata.
La erosión generalizada corresponde simplemente a la tendencia natural de un
río aluvial a adquirir la profundidad de la corriente correspondiente al caudal que
se presente. Naturalmente que una mayor descarga no implica necesariamente
una sobre elevación de la superficie libre. (Richardson, 1990)
2.2.1 METODO DE LAURSEN (Para Socavación por Contracción)
La socavación por contracción para lecho vivo se puede calcular utilizando la
ecuación propuesta por Laursen en 1960 y que se presenta a continuación:
La socavación se halla mediante la siguiente expresión:
Donde:
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(2.18)
(2.19)
22
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Y1: tirante medio en el canal principal.
Y2 : tirante medio en la sección de contracción
W1: ancho del canal principal
W2: ancho en la sección contraída
Ot : flujo en la sección de contracción
Oc : flujo en el canal principal
n2 : coeficiente de Manning para la sección contraída
n1 : coeficiente de Manning para el canal principal
CAPITULO 11
A y B son coeficientes de transporte que se obtienen del siguiente
cuadro:
CUADRO Nº 2.01
COEFICIENTES DE TRANSPORTE USADOS EN LA FÓRMULA DE SOCAVACIÓN
v./w E A B
< 0.5 0.25 0.59 0.066
1.0 1.0 0.64 0.21
>2.0 2.25 0.69 0.37
Donde:
v.: velocidad de corte
w : velocidad de caída del dso del material del lecho
e : factor de transporte
A= 6(2 + e)
7(3 + e)
B = 6e
7(3 + e)
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Transporte de sedimento
Mayormente carga de contacto
Algún material en suspensión
Mayormente transporte en suspensión
(2.20)
(2.21)
23
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FACUL TAO DE INGENIERIA CIVIL
Para aplicar la fórmula anterior se debe tomar en cuenta lo siguiente:
CAPITULO 11
a) El cociente (n1'n2) puede ser significativo si existen dunas en el canal
principal y lecho "lavado" (plano) o antidunas en la sección de
contracción.
b) El ancho promedio de la sección W2 se toma normalmente como el ancho
superficial al que se le substraen los pilares.
c) Las ecuaciones de Laursen para una gran contracción sobre estimarán la
socavación en el puente, si el mismo está localizado en el extremo aguas
arriba de la contracción o si la contracción es el resultado de la presencia
de pilares y estribos. Esta es la mejor ecuación disponible hasta el
momento.
La socavación por contracción para agua clara se puede calcular utilizando la
ecuación propuesta por Laursen en 1960 y que se presenta a continuación:
Donde:
Y2 / Y1 = (W1 /W2)"'a (2.22)
Y2 = Profundidad promedio en la sección contraída.
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba de la contracción.
W1 = Ancho del fondo aguas arriba de la contracción.
W2 = Ancho del fondo eri la sección contraída.
a = Varia de 0.64 a 0.80.
2.2.2 METODO DE COLORADO STATE UNIVERSITY (Para Socavación en
Pilares)
La socavación causada por el flujo alrededor de obstáculos, como pilas de
puente, se llama erosión local. Físicamente el fenómeno consiste en que
alrededor de la pila se dan velocidades localmente mayores que las medias de la
corriente, acompañadas de un sistema de vórtices frontales, laterales y de estela
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACUL TAO DE INGENIERIA CIVIL CAPITULO 11
detrás del pilar. Este sistema de vórtices es el principal responsable de la
socavación.
Es sorprendente la magnitud de estos fosos u hoyos, situados precisamente
donde más daño puede hacer al puente. La patología típica de un fallo por
erosión local es que la pila se hunde y bascula o vuelca hacia aguas arriba
(véase Figura 2.5)
7
rfoso
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Figura 2.5 Erosión local alrededor de una pila
La socavación de los pilares del puente se ha calculado utilizando el método de
Colorado State University. Esta fórmula arroja valores conservadores de
socavac1on y se utiliza para el diseño de puentes por empresas consultoras,
agencias estatales y locales en los Estados Unidos después de llevarse a cabo
estudios de laboratorio y en algunos puentes existentes.
donde:
y5 : profundidad de socavación (en m o pies)
y1: tirante aguas arriba del puente (en m o pies)
K1 : factor de corrección debido a la forma del pilar
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(2.23)
25
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K2 : factor de corrección por ángulo de ataque
K3 : factor de corrección por la morfología del lecho (K3 = 1.1 si existen dunas)
�:factor de corrección por acorazamiento a: ancho del pilar (en m o pies)
Fr1 : número de Froude aguas arriba del pilar
Los factores de corrección se muestran en los siguientes cuadros:
CUADRO Nº 2.02
FACTORES DE CORRECCIÓN POR FORMA PARA EL CÁLCULO DE SOCAVACIÓN EN PILARES
TIPO DE PILAR K1
Nariz cuadrada 1.1
Nariz redonda 1.0
Cilindro circular 1.0
Nariz en punta 0.9
Grupo de cilindros 1.0
CUADRO Nº 2.03
FACTORES DE CORRECCIÓN POR ÁNGULO DE ATAQUE
K2 PARA EL ANGULO DE ATAQUE DEL FLUJO
ANGULO Ua = 4
o 1.0
15 1.5
30 2.0
45 2.3
90 2.5
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Ua = 8
1.0
2.0
2.5
3.3
3.9
Ua =12
1.0
2.5
3.5
4.3
5.0
26
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACUL TAO DE INGENIERIA CIVIL CAPITULO 11
CARACTERISTICAS DEL FONDO Altura de dunas Factor K3
DEL CAUCE (m)
Aguas limpias - 1.1
Fondo plano y antidunas - 1.1
Dunas pequeñas .06<H<3 1.1
Dunas medianas 3<H<9 1.1 a 1.2
Dunas grandes 9<H 1.3
Cuadro 2.04 Calculo de K3
El coeficiente K4 tiene por objetivo disminuir el valor calculado de socavación
para tener en cuenta que las partículas grandes de material disminuyen la
socavación, y se obtiene de la siguiente expresión:
K4 = [1-0.89(1-Vr)2]"0.5
Vr = (Vo-Vi)/(Vc90-Vi)
Vi = (0.645(050/d)"0.053)xVc50
Vc50 = (6.19 y"1 /6) x( 050"1 /3)
Donde:
K4 = Factor de corrección por gradación de los materiales
Vr = Relación de velocidades
Vo = Velocidad de acercamiento (m/seg)
(2.24)
(2.25)
(2.26)
(2.27)
Vi = Velocidad de acercamiento a la cual se inicia erosión en el pilar
d = Ancho del pilar en metros
y = Profundidad del flujo de acercamiento
Vc90 = Velocidad crítica para movimiento incipiente de material 090
Vc50 = Velocidad crítica para movimiento incipiente de material 050
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2.2.3 METODO DE FROEHLICH (Para Socavación en Estribos)
Este método considera que pueden haber dos tipos de ecuaciones para el
cálculo de la socavación en estribos de puentes, tomando en cuenta el
movimiento del lecho. A continuación se presenta las variables necesarias para
el cálculo de la socavación:
Ecuación de Froelich para socavación en agua clara:
(2.28)
Ecuación de Froelich para socavación en lecho vivo:
(2.29)
donde:
K1 : coeficiente de forma del estribo
K2 : coeficiente para el ángulo que hace el terraplén con el flujo
a· : longitud del estribo proyectado en dirección normal al flujo
Fr : número de Froude aguas arriba del estribo
G : desviación estándar geométrica del material del lecho
y1 : tirante en el estribo
Ys : profundidad de socavación
Cuando el estribo es muy largo, concretamente si a'/y1 > 25, se considera que la
socavación queda limitada por la siguiente expresión:
�- = 4( K 1 )K Fr o.33
y 1 o .552 (2.30)
Además se puede usar la ecuación de Liu para verificar los resultados obtenidos
con la ecuación de Froelich. La ecuación de Liu se presenta a continuación:
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donde:
K: constante que depende de la forma de los estribos.
CAPITULO 11
(2.31)
K = 1.1 O, cuando los estribos están protegidos por un terraplén que rodea
el estribo con una forma circular en planta.
K = 2. 15, cuando los estribos son verticales.
2.3 PROTECCION CON ENROCADO
El enrocado es el material más usado en la ingeniería fluvial. Su estabilidad se
debe al peso de la roca y a su superposición. Para la superposición y
funcionamiento en conjunto se recomienda una granulometría variada. Con
enrocado se pueden construir estructuras cuyo funcionamiento es por gravedad:
espigones y diques longitudinales, pero son estructuras permeables y de poca
resistencia ya que no existe monolitismo; por esta razón, el mayor uso del
enrocado es como revestimiento, protección o defensa de otra estructura. El
papel del enrocado es impedir su derrumbamiento por acción de la corriente,
para lo que pone en juego su resistencia al arrastre. Una ventaja es su
flexibilidad como conjunto ante un descenso del fondo del cauce por erosión.
El diseño de una protección con enrocado debe prestar atención a la
cimentación. Frecuentemente falla por derrumbamiento por haber quedado
descalzada debido a la erosión del lecho junto al talud. Un talud de enrocado se
debe enterrar en el cauce hasta una profundidad adecuada frente a la erosión.
Una buena cimentación consiste en un pie de enrocado; si el cauce es
desbordable se debe reforzar la cabeza para evitar daños.
La efectividad de esta protección depende del espesor del recubrimiento. Como
criterio práctico un enrocado debe estar formado por al menos dos capas de
elementos.
Esta protección necesita un filtro para evitar la pérdida de suelo bajo éste,
debido a la acción hidrodinámica; esta pérdida ocasiona hundimientos en la
protección y su posterior destrucción. Se usan filtros granulares o sintéticos:
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geotextiles o geomantas. Para el último caso se debe evitar el punzonamiento
por las aristas del enro�ado. El talud natural de una protección con enrocado
está entre 1 :1 y 1 :2 (V:H). Por lo general el factor de seguridad para el diseño de
enrocados es igual a 1.5 (véase figura 2.6).
Figura 2.6: Características de una protección con enrocado.
Diseño
Existen varios métodos para diseñar el enrocado que protegerá un talud contra
la acción erosiva de las aguas. A continuación se presenta el método del factor
de seguridad:
a) Método de Estabilidad de Momentos (o del Factor de Seguridad)
Existen ocasiones en las cuales las líneas de corriente no son paralelas al río,
como en el flujo debajo de un puente, en el cual ocurre tanto una depresión en el
nivel del agua como un acercamiento entre líneas de corriente. En el caso de los
taludes de un estribo hay dos puntos críticos que se toman en cuenta para el
diseño del enrocado. El primero es el talud y el segundo es el pie de talud. Para
cada uno de ellos se calcula el enrocado, pero se escoge el que resulta en el
mayor tamaño. Debido a que se desea emplear un proceso constructivo simple,
se escoge solo un tipo de enrocado para evitar confusión entre los operarios. El
método del factor de seguridad se ha derivado en base a los conceptos de
momentos alrededor del punto de apoyo de una roca que se apoya en otra.
En las inmediaciones de un estribo, las líneas de corriente cambian rápidamente
y se aplican procedimientos más exactos que el método de velocidades para
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calcular el tamaño de los elementos protectores. En principio las líneas de
corriente no son horizontales. Por el contrario, el ángulo con respecto a la
horizontal es mayor que cero y es igual a A . Las siguientes formulas se han
aplicado en el cálculo de los elementos de protección.
Donde:
cos(,-1,)
[ 2sin0 + sin(,-1,)]n0 tan</J
21-t T] = - -- ----
<rs -yw)d50
SFo = cos 0 tan </J n1 tan <p + sin 0 cos /3
(2.32)
(2.33)
(2.34)
(2.35)
A.: Angulo de las líneas de corriente con respecto a la horizontal.
<j>: Angulo de reposo
0: Inclinación del Talud
SF: Factor de Seguridad
b) Diseño de Enrocado para el Talud
Considerando que la diferencia de los niveles de aguas arriba del puente y
aguas abajo del puente es � h, la aceleración de la gravedad es g y el
coeficiente de velocidades es a, la velocidad Vd al pasar por el estribo es:
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(2.36)
31
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El cociente de la velocidad de referencia con respecto a Vd, V /Vd, se estima en
base a un gráfico que obtuvo Lewis en 1972. En base a la velocidad de
referencia Vr se determina A . El ángulo A se determina en base al cociente de
la pérdida de nivel de agua con respecto a la longitud del estribo !)..h I La
.
0.3V/ TJ =-
(Ss -1)gdso (2.37)
Vr es la velocidad de referencia, Ss es la gravedad específica de la partícula que
asume es igual a 2.65. La aceleración de la gravedad es g y dso es el tamaño de
la esfera equivalente a la partícula cuyo peso impide la resistencia al
movimiento. En las siguientes fórmulas 0 es la pendiente del talud y SF es el
factor de seguridad. En diseño de enrocados el factor de seguridad es
aproximadamente 1.5.
e) Diseño de Enrocado para el pie de talud
En el pie del talud, el ángulo A es aproximadamente igual a cero, debido a que
el lecho del río fuerza a las líneas de corriente a discurrir paralelas al mismo. Se
logran las siguientes simplificaciones:
(2.38)
S 2 -SF2
17 = _!!!__ - coseSF(S;,,)
(2.39)
Las dos últimas ecuaciones solamente permiten el cálculo de h. El tamaño típico
del enrocado puede calcularse usando la siguiente ecuación:
0.3V/ TJ = -
(S5 -1)gd50
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(2.40)
32
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERfA FACUL TAO DE INGENIERfA CIVIL CAPITULO 11
Vr es la velocidad al pie del talud, Vr está en función de la velocidad media y dh/L
según Lewis (1972).
d) Diseño del Filtro
El filtro es usado tanto para diques como en enrocados, su fin es el de evitar que
los materiales finos del cuerpo de protección sean expulsados a través de las
aberturas de las rocas grandes, lo que debilitará la estructura de protección.
Cuando el filtro es gravoso se recomienda que cumplan las siguientes
condiciones:
Primero se comprueba si se necesita el filtro para proteger la bas�:
d50 (filtro) <40
d50(base)
5 < d15(filtro)
<40 d15(base)
d1 5 (filtro) < 5
dg5(base)
(2.41)
(2.42)
(2.43)
Luego se determinan las dimensiones del filtro con respecto al enrocado:
d50 (enrocado) <40
d50(filtro)
d15 (enrocado) 40 5<------<
d15 (filtro)
d15 (enrocado) <S
dg5 (filtro)
PILOTES EXCAVADOS PARA CIMENTACIONES PROFUNDASAPLICACIÓN PUENTE IGNACIO ESCUDERO -ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIDRAULICA FLUVIAL SOUSA DONA YRE PIERO YTALO
(2.44)
(2.45)
(2.46)
33
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACUL TAO DE INGENIERIA CIVIL
CAPITULO 111
INFORMACION DE ESTUDIOS DISPONIBLES
3.1 EVALUACION HIDROLOGICA
CAPITULO fil
La quebrada Ignacio Escudero tiene un área aporte de 152.47 Km2 y nace a una
altitud de 872 msnm, tiene una longitud de 32.18 Km y la pendiente media hasta
el cruce con la carretera Panamericana es de 2.6 %. En la inspección de campo
se pudo comprobar que el ancho del curso de agua es de aproximadamente 250
m. Esta quebrada discurre principalmente de Norte a Sur en dirección hacia el
río Chira.
Para poder estimar los parámetros hidráulicos para el dimensionamiento de los
puentes se ha utilizado modelos precipitación - escorrentía por lo que fue
necesario obtener información cartográfica para delinear las cuencas de aporte y
definir la escorrentía que es recibida en el cruce con las carreteras. En el Anexo
2.16.6.1 A se muestran las cuencas de aporte delineadas, los cuales se logró
mediante el uso de software adecuado para el delineamiento de las cuencas.
Para el análisis estadístico de precipitaciones de las obras de cruce entre las
progresivas 1043 + 000 y 1173 + 000 de la Carretera Panamericana Norte se
escogió la precipitación Máxima en 24 horas de la Estación Mallares, que se
encuentra cerca de la Quebrada Ignacio Escudero. En dicha estación se han
registrado las precipitaciones máximas en 24 horas entre los años 1972 - 1992 y
1994 - 2003 por lo que incluye las precipitaciones que ocurrieron durante el
desarrollo del Fenómeno del Niño de los años 1983 y 1999. Se determinarán las
precipitaciones cuyo periodo de retorno son 25, 50 y 100 años con la distribución
que mejor se ajuste a los datos, lo cual se verificará con las pruebas de
Kolgmogorov - Smirnov.
El periodo de retorno utilizado en las estructuras de una carretera de tráfico
principal es de 50 a 100 años en los Estados Unidos (Chow et. Al., 1988), según
la importancia asignada a la carretera, aunque la tendencia es a aumentar el
periodo de retorno, sobre todo en las estructuras más importantes (Laursen,
1999), recomendándose el uso de la avenida de 500 años para la verificación de
la socavación en puentes.
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ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIDRAULICA FLUVIAL SOUSA DONA YRE PIERO YTALO 34
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FACUL TAO DE INGENIERIA CIVIL CAPITULO 111
Además, se calcularon los tiempos de concentración en las cuencas de los ríos
para determinar el tiempo crítico de duración de la lluvia. El programa de
cómputo HEC - HMS v. 2.2.2. fue utilizado para determinar la escorrentía
causada por los eventos correspondientes a las condiciones de diseño.
MODELAMIENTO Y CÁLCULOS HIDRÁULICOS
Para hallar los niveles de inundación se utilizó el programa HEC - RAS 3.1.1.,
desarrollado por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos para
calcular las curvas de remanso producidas por los caudales de interés en el
tramo de un curso de agua natural. Las salidas tabulares y gráficas de este
programa permiten determinar la extensión de la inundación causada por flujos
extremos, para los eventos de 100 años y 500 años. Las avenidas centenarias
se usaron para calcular los niveles de agua que se producen en los puentes de
la zona del estudio.
La socavación fue calculada en base a la avenida de 500 años, siguiendo las
recomendaciones de la práctica actual de diseño de puentes (Laursen, 1999)
El programa HEC-RAS permite el cálculo de la socavación en puentes usando
los métodos expuestos el libro "Highways in the River Environment" de la FHWA
(Administración Federal de Caminos de los Estados Unidos). Esta herramienta
de cálculo incluye las ecuaciones de Colorado State University y de Froehlich
para el cálculo de socavación en pilares de puente y las fórmulas HIRE y de
Froelich para el cálculo de socavación en los estribos.
DATOS DE LA CUENCA
Longitud Cota Cuenca Nombre Progresiva Area (L) Máx
Km2 Km (m.s.n.m)
C-01 IQnacio Escudero 1043+000 152.47 32.18 872.01
Cuadro 3.01 Datos de la cuenca
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SOUSA DONA YRE PIERO YTALO
Cota Min
(m.s.n.m)
30.85 0.026
35
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACUL TAO DE INGENIERIA CIVIL CAPITULO lfl
tp Tiempo de Concentración (min) Dur. Crítica Le Ct (hr} CN Estación 1 Q100
Tormenta Kirpich B-W Media (min} Km (mm/hr) (m3/s)
233.90 589.15 371.22 370 12.59 2.00 9.09 89 Mallares 39.76 991.74
Cuadro 3.02 Datos de la cuenca
CALCULO HIDRAULICO SEGÚN HEC-RAS DE NIVELES MAXIMOS POR
OBRA PROYECTADA
Cuenca Nombre Progresiva Longitud Area Caudal Pendiente
(m) Km2 (m3/s) (m/m)
C-01 lonacio Escudero 1043+000 250.00 152.47 991.74 0.0038
Cuadro 3.03 Datos de la cuenca
Niveles (m.s.n.m TR=100 años Nivel
Rasante 1 Fondo Agua 1 Agua + BL TR=500 años
39.000 1 30.34 34.00 1 36.00 35.35
Cuadro 3.04 Datos de la cuenca
TR=100 años TR=S00 años Niveles (msnm) Prof. m) Niveles (msnm)
Lecho 1 Estribo 1 Pilar Estribo Pilar Lecho I Estribo I Pilar 31.0 1 24.0 1 25.0 7.0 6.0 31.0 1 23.2 1 24.3
Cuadro 3.05 Caudales máximos
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SOUSA DONA YRE PIERO YTALO
Prof. Estribo
7.8
36
Q500
(m3/s)
1,868.90
m) Pilar
6.7
40
38
36
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Quebrada Ignacio Escudero
(a) Longitud: 250 m
Cl\lebrada lgnado Escudero- A.lente Aan: Aan 18 11/08/2004
Pucnto lgnacD Esc:Udcro
_a;-,...--- - -- .03---- ----
.15() -100 50
Station (m)
-t-"'
100
�end -.
EG PF 2
WSPF2
EGPF J
WSPF 3
EGPF 1
WSPF 1
Crl PF 2
en PF 3
OIPF1 =
Omls
-
2m/s
150
-
3ml,
-¡¡;-;;;;-
Figura 3.01 Sección del puente y secciones transversales
OJebrada lgnacK> Escudero - Puente Aan: Aan 18 11/08/2004
-QUEBRADA IGNACIO CRUCE CON PANAM 42
40
26+-------1000
- - - -----
1500 500
Main Channel Oistance (m)
Figura 3.02 Perfil de la quebrada
PILOTES EXCAVADOS PARA CIMENTACIONES PROFUNDASAPLICACIÓN PUENTE IGNACIO ESCUDERO -ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIDRAUL/CA FLUVIAL
SOUSA DONA YRE PIERO YTALO
-- - - 1
2000
CAPITULO 111
1
• 2200
2150
2100
1�rff!}/ 1750
1700 18-fsso
CRU1600:ON PANAWE
1500 1450
1400 1350
1300 1250
• 1200
50 800
1150 1100
·1050 1000
950
-.P.,,..
;oc,50 650
600
450 400
350 300
250 200 150
• 100 • 50 O
p-e�n� EG PF 2
1 EG PF 3
IWSPF2
Crit "'PF 2
EG PF 1
1 w"sPF 3 Crit ,.PF 3
IWS PF 1
Crit PF 1
1 Ground
2500
37
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERfA FACUL TAO DE INGENIERfA CIVIL CAPITULO 111
Figura 3.03 Presentación tridimensional de la quebrada y el puente
Quebrada Ignacio Escudero - Puente Plan: 1) Plan 22 12/10/2004
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SOUSA DONA YRE PIERO YTALO
l.Hgend 7
-11/112, PF 1
1/112, PF 2 1ll!liiiii:iiaia:il:ll1/112, PF 3 i
38
W2,PF4 1Ground 1
• 1 BankSta
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACUL TAO DE INGENIERIA CIVIL
Niveles msnm
Nro Quebrada Lecho Estribo
1 1 nacio Escudero 31.0 24.0
Pilar
25.0
CAPITULO 111
Prof. m
Estribo Pilar
7.0 6.0
Cuadro 3.06 Niveles y profundidades máximas en la quebrada
Resumen de Socavacion en Puentes
Nro Quebrada
1 1 nacio Escudero
Niveles msnm
Lecho Estribo Pilar
31.0 23.2 24.3
m
Estribo Pilar
7.8 6.7
Cuadro 3.07 Socavación en estribos y pilares
3.2 TOPOGRAFIA
Quebrada Ignacio Escudero.
Esta quebrada se encuentra en el Km 1,043 y el levantamiento topográfico
comprende las áreas de quebrada hasta 1,000 m aguas arriba y 900 m aguas
abajo. Se encontró el BM 1043 del Estudio del Consorcio CES EL - TYPSA con
el que se ha referido las elevaciones. La elevación del BM 1043 es = 34.082
msnm.
Se establecieron los siguientes puntos de control mediante la monumentación de
sus respectivos hitos:
Punto Este Norte Elevación
P1-A 514,729.75 9'464,265.21 32.459
P1-B 514,913.00 9'464,235.00 35.373
PUNTOS DE CONTROL UTILIZADOS
Las elevaciones de cada levantamiento topográfico están referidas a los BMs
establecidos por la empresa Cesel S.A. en Setiembre del 2,000 para "Los
Estudios Definitivos de Rehabilitación de Carreteras Afectadas por el Fenómeno
del Niño". A la fecha, el Instituto Geográfico Nacional (IGN) no proporciona
PILOTES EXCAVADOS PARA CIMENTACIONES PROFUNDAS -APLICACIÓN PUENTE IGNACIO ESCUDERO
ESTUDIO H/DROLOGICO Y DE HIDRAULICA FLUVIAL
SOUSA DONA YRE PIERO YTALO 39
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACUL TAO DE INGENIERIA CIVIL CAPITULO 111
información oficial sobre los BMs ubicados a lo largo de la carretera objeto del
presente estudio, debido a que sus elevaciones están siendo revisadas por el
ente oficial.
En cada una de las zonas de interés se han monumentado dos hitos, para los
cuales se han establecido elevaciones a partir de los BMs descritos
anteriormente. Adicionalmente, se han determinado las coordenadas con un
GPS navegador, para el efecto se ha utilizado el sistema de coordenadas WGS-
84.
EQUIPOS UTILIZADOS
Los trabajos fueron desarrollados con estaciones totales y software
especializado en topografía. La información colectada fue almacenada
electrónicamente en la memoria interna de los equipos. La automatización del
proceso evito los errores de lectura y registro manual que usualmente se
presentan en la topografía convencional.
Se desarrollaron planos de planta, en archivos digitales DWG de AutoCad, para
cada uno de los 7 levantamientos realizados.
-�·-·-·r' ·.. l
l -·¡e-.
�_; ' .
Ji! l
º
•. ·-.·- . . •.... . - .. ....
Figura 3.04 Topografía de la quebrada
PILOTES EXCAVADOS PARA CIMENTACIONES PROFUNDAS -APLICACIÓN PUENTE IGNACIO ESCUDERO· ESTUDIO H/DROLOGICO Y DE HIDRAULICA FLUVIAL
SOUSA DONA YRE PIERO YTALO
. .. ......... �, . ..
--·
:·.- .
40
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACUL TAO DE INGENIERIA CIVIL
3.3 GEOTECNIA Y GEOLOGIA
CAPITULO 111
Se presentan Estudios de Suelos, Canteras, Pavimentos, Geología y Geotecnia
en el contexto del "Estudio Geotécnico para Puentes, 14 actuaciones (14
quebradas) en la Carretera Piura - Tumbes" y del "Estudio Geotécnico para
Puentes, 07 Actuaciones Nuevas Adicionales (07 quebradas) en la Carretera
Piura - Tumbes - Zarumilla" como parte del Informe Final de los estudios
definitivos multidisciplinarios en dichas actuaciones, que a su vez forma parte de
cuatro informes finales que en conjunto establecen los "Estudios de Diseño para
la Rehabilitación de la Carretera Piura - Guayaquil".
El Informe Final presenta las investigaciones geotécnicas para establecer las
Condiciones Geológicas Geotécnicas y el Cálculo de Cimentaciones de 13
puentes y 08 estructuras menores (pontones ó alcantarillas) situados a lo largo
de la Panamericana Norte entre las ciudades y localidades de Sullana - Tumbes
- Zarumilla.
Los trabajos de campo, Ensayos de Laboratorio requeridos y el procesamiento
de la información han sido ejecutados en el año 2004. La fase concluitíva de
manera mayoritaria ha sido realizada en los meses iniciales del año 2005.
Dentro del "Estudio Geotécnico para 14 actuaciones en la Carretera Piura -
Tumbes " al inicio del Proyecto, luego de haberse realizado un análisis
exhaustivo en campo y gabinete conjuntamente con todos los especialistas de
las diversas áreas de Ingeniería del Proyecto, de la problemática específica en
cada una de las catorce actuaciones o quebradas y con conocimiento y
aprobación de la Supervisión se concluyó de que una de las quebradas requería
ampliación de alcantarillas de cajas de concreto allí existentes de dos unidades a
cuatro, mientras que dos de las quebradas requieren más bien de defensas
ribereñas, estableciéndose que en once quebradas si se requerían de puentes, a
la vez que se arribaba al cálculo de las longitudes necesarias que deberían tener
cada uno de dichos puentes. De acuerdo a ello, para los estudios respectivos de
Geotecnia y Cimentaciones en donde se requiriese de estructuras mayores ó
puentes se procedió a establecer el número y ubicación de Perforaciones
Diamantinas con Ensayos de SPT de 25.00 m de profundidad cada uno a una
distancia promedio de entre uno y otro sondaje de 50 m, hasta cubrir la longitud
de cada puente desde el estribo izquierdo hasta el estribo derecho. En aquellos
lugares en donde no se tuviera que colocar estructuras de puentes se decidió
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ESTUDIO HIOROLOGICO Y DE HIDRAULICA FLUVIAL
SOUSA DONA YRE PIERO YTALO 41
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACUL TAO DE INGENIER(A CIVIL CAPITULO 111
realizar los Estudios de Mecánica de Suelos mediante la ejecución de calicatas
de 3.00 m de profundidad.
3.4 RESUMEN
El Tramo Sullana - Talara - Aguas Verdes de la carretera Panamericana Norte
se encuentra en una zona semiárida, que presenta precipitaciones de baja a
regular intensidad en los meses de verano. La mayor parte del tiempo los cursos
de agua de mayor ancho están secos. Cuando se produce el Fenómeno El Niño,
las temperaturas del agua de mar aumentan produciendo un aumento drástico
en la intensidad y cantidad de precipitaciones, las que ocasionan caudales de
hasta dos órdenes de magnitud mayores a los medios.
Durante avenidas extremas el bloqueo de los vanos por material de arrastre se
presenta durante flujos extremos, en los cuales árboles y arbustos son
arrastrados por la corriente y atrapados en los pilares de los puentes,
disminuyendo el área efectiva de la abertura de los vanos.
En varias quebradas el alineamiento de la carretera muestra un esviaje con
respecto a la dirección del flujo. Si el ángulo de ataque es pronunciado, se
pueden producir socavaciones muy altas que pueden producir inestabilidad en
los elementos de apoyo en los puentes. Por este motivo se recomienda usar
pilares de sección circular y estribos protegidos por un terraplén que los rodee o
por lo menos usar aleros que faciliten la entrada del flujo a los vanos del puente.
Un factor importante en la erosión de los terraplenes en la Carretera
Panamericana es la presencia de flujos paralelos al eje de la vía que destruyen
la base al producir esfuerzos cortantes que remueven material de los taludes.
Esto ocurre por ejemplo en Quebrada Honda. Por lo tanto es necesario
proporcionar protección adecuada de los terraplenes. Se ha escogido los
gaviones como método para controlar la erosión debido a la ausencia de roca
competente de tamaño adecuado.
Para evitar los problemas de falta de capacidad de drenaje, se ha adoptado
como criterio de diseño respetar el ancho natural de los cauces durante eventos
extremos, basados en evidencias de campo y reportes de desastres. Se deben
demoler las estructuras provisionales para evitar la interferencia con el paso de
los caudales extremos.
PILOTES EXCAVADOS PARA CIMENTACIONES PROFUNDAS -APLICACIÓN PUENTE IGNACIO ESCUDERO -ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIDRAUL/CA FLUVIAL SOUSA DONA YRE PIERO YTALO 42
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CAPITULO IV
CAPITULO IV
MODELAMIENTO HIDRAULICO DEL FLUJO USANDO EL SOFTWARE HEC
RAS
Para re calcular los niveles de inundación se utilizó el programa HEC - RAS en
su versión 3.1.3., desarrollado por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los
Estados Unidos.
Para la correcta visualización de la quebrada en estudio es necesario trazar
secciones transversales distanciadas cada 20 metros las cuales reflejan un
modelamiento real como se muestra a continuación:
-: ; . ':' ¡ ; l . ·t .-� !'·. ... í
101 1(J/
11D !I!
g; 95
92 !!3
g) !11
. :- } · . J
ffJ 61
81 8) 78 i'6 74
: ·.·.
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71 i1) !il 1li 61
¡·.i· :ro 1 : $
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" 44 .¡;
41 42
ll 31 � 33
. � ,11
;B 'l/ l' Jj 1: � I' ll r. J)
IS 16
14 t2 10 8 6
Figura 4.01 Secciones transversales generadas con el programa HEC-RAS
PILOTES EXCAVADOS PARA CIMENTACIONES PROFUNDAS -APLICACIÓN PUENTE IGNAC/0 ESCUDERO -
ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIDRAUUCA FLUVIAL
SOUSA DONA YRE PIERO YTALO 43
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERfA FACUL TAO DE INGENIERfA CIVIL CAPITULO IV
Con las secciones transversales generadas con el software HEC-RAS podemos
también generar un perfil de la quebrada donde se puede reflejar la línea de
máxima pendiente llamada Thalweg por la que circulará el flujo de agua en todo
momento.
Se muestra así esta sección para una mejor visualización:
Figura 4.02 Perfil generado con el programa HEC-RAS
Se puede también visualizar gráficamente las velocidades a lo largo de la
quebrada, así tenemos:
Figura 4.03 Visualización de velocidades
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SOUSA DONA YRE PIERO YTALO 44
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACUL TAO DE INGENIERIA CIVIL CAPITULO IV
Se generan de esta manera 104 secciones a lo largo de 2,060 metros
aproximadamente tomando la sección numero 53 y reemplazándola por el
puente para posteriormente visualizar la quebrada con la inclusión del puente
generado.
Se muestra a continuación una vista tridimensional:
l11TB¡reB1a:im Pm Ra102 1.vtmJT
¡;;.1
l�I
Figura 4.04 Visualización tridimensional generada con el programa HEC-RAS
De este modo se podrá visualizar las secciones transversales del puente
involucradas en el presente informe aguas abajo y aguas arribas
respectivamente.
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ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIORAULICA FLUVIAL
SOUSA DONA YRE PIERO YTALO 45
Br1<9!
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACUL TAO DE INGENIERÍA CIVIL CAPITULO IV
Se muestra a continuación las secciones transversales 52 y 54 que limitan al
puente por ambos lados:
Ultirre presenta::ion Piar Aan02 14/12/2007
r- .04 _04--- - -- -- ,.¡
36 [_ ue:" d _¡ 35 1
B3PF 2
VVSPF 2
:s 34 B3PF 1
6 VVSPF 1
1 33 [, .....
Om's
32 1 m's
2 m's
31 Grot.rd
i Ba-i< Sta
30 r---r---,-----r -r---,---,� "T-·r - ----,-- - r-- -, - -
o
36�35
E 34
6 33
] 32
31
200 400 ax) 8X)
Slation ( rr)
Figura 4.05 Visualización de la sección transversal 52
Ultirre presenta::ion Plén: Aan 02 14/12/2007
-- - _04-- --+----- .04
Slation ( rr)
Figura 4.06 Visualización de la sección transversal 54
1CXXl
>¡
.:..-.;.J 83�2 1
�! B3PF1
VIS PF 1 . OitPF2
j 011PF1
¡t- Om'� _, ! 1 rrls
1 2 rn"s
Ckund •
Barksta
Se muestra a continuación las secciones transversales 53 aguas abajo y 53
aguas arriba con la inclusión del puente:
PILOTES EXCAVADOS PARA CIMENTACIONES PROFUNDAS -APLICACIÓN PUENTE IGNACIO ESCUDERO -ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIDRAULICA FLUVIAL
SOUSA DONA YRE PIERO YTALO 46
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FACUL TAO DE INGENIERfA CIVIL CAPITULO IV
;-- - - �- - - --- +---
/ /
' °"""''
1 �:. 1 ....:�
Figura 4.07 Visualización de la sección transversal 53 aguas abajo
/
/
-------=-· --..- - ----- ---
- -
��
------- '� -
-ir---�- . �
Figura 4.08 Visualización de la sección transversal 53 aguas arriba
Estas mismas secciones pueden ser visualizadas simultáneamente sin la
inclusión del flujo con el fin de visualizar la geometría del puente.
PILOTES EXCAVADOS PARA CIMENTACIONES PROFUNDAS -APLICACIÓN PUENTE IGNACIO ESCUDERO -ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIDRAULICA FLUVIAL
SOUSA DONA YRE PIERO YTALO 47
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FACUL TAO DE INGENIERIA CIVIL CAPITULO IV
Se muestra a continuación dichas secciones:
» o
------- ··---
Figura 4.09 Visualización de ambas secciones transversales
Con toda la geometría descrita anteriormente se procede a correr el programa
HEC-RAS para obtener los diferente parámetros que serán de gran utilidad.
Se hallara entonces el máximo nivel del transcurso de agua para posteriormente
calcular el tirante máximo.
Se muestran a continuación los resultados obtenidos en las secciones de
interés:
HEC-RAS Plan: Plan 02 River: RIVER-1 Reach: Reach-1
River Sta Profile Q Total Min Ch El W.S. Elev Crit W.S. E.G. Elev
(m3/s) (m) (m) (m) (m)
54 PF 1 991.74 30.5 34.1 32.44 34.17
54 PF 2 1868.9 30.5 35.16 33.21 35.22
53 Bridge
52 PF 1 991.74 30.5 33.95 34.03
52 PF 2 1868.9 30.5 34.95 35.02
Cuadro 4.01 Resultados obtenidos en las secciones que limitan al puente
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SOUSA DONA YRE PIERO YTALO 48
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HEC-RAS Plan: Plan 02 River: RIVER-1
River Sta E.G. Slope Vel Chnl
(m/m) (m/s)
54 0.001294 1.12
54 0:000812 1.11
53
52 0.001367 1.1
52 0.000899 1.24
CAPITULO IV
Reach: Reach-1
Flow Top Froude # Shear Area Width Chl Total
(m2) (m) (N/m2)
860.04 591.99 0.3 18.38
1663.45 838.09 0.25 15.77
845.01 662.95 0.31 17.06
1601.82 835.06 0.27 16.87
Cuadro 4.02 Resultados obtenidos en las secciones que limitan al puente
PILOTES EXCAVADOS PARA CIMENTACIONES PROFUNDAS -APLICACIÓN PUENTE IGNACIO ESCUDERO -
ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIDRAULICA FLUVIAL
SOUSA DONA YRE PIERO YTALO 49
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FACUL TAO DE INGENIE RIA CIVIL CAPITULO V
CAPITULO V
CALCULOS DE SOCAVACION EN PUENTES
5.1 CARACTERISTICAS DE LA SECCION DE INTERES
Se tomaran como referencia los resultados obtenidos después de correr el
programa teniendo como resultado los parámetro necesarios para el cálculo de
la socavación en el puente.
En la sección donde se encuentra ubicado el puente se obtienen los siguientes
resultados:
Plan: Plan 02 RIVER-1 Reach-1 RS:53 Profile: PF 1
lnside BR lnside BR
E.G. US. (m) 34.17 Element us DS
W.S. US. (m) 34.1 E.G. Elev (m) 34.15 34.11
Q Total (m3/s) 991.74 W.S. Elev (m) 34.02 33.86
Q Bridge (m3/s) 991.74 Crit W.S. (m) 32.49 33.05
Q Weir (m3/s) Max Chl Dpth (m) 3.52 3.36
Weir Sta Lft (m) Vel Total (m/s) 1.59 2.17
Weir Sta Rgt (m) Flow Area (m2) 624.83 457.48
Weir Submerg Froude # Chl 0.31 0.47
Weir Max Depth (m) Specif Force (m3) 1066.09 788.12
Min El Weir Flow (m) 34.2 Hydr Depth (m) 2.62 1.96
Min El Prs (m) 37 W.P. Total (m) 285.69 265.32
Delta EG (m) 0.14 Conv. Total (m3/s) 26921.4 17266.5
Delta WS (m) 0.15 Top Width (m) 238.8 233.92
BR Open Area (m2) 1207.74 Frctn Loss (m) 0.03 0.03
BR Open Vel (m/s) 2.17 e & E Loss (m) 0.01 O.OS
Coef of Q Shear Total (N/m2) 29.11 55.78
Energy
Br Sel Method only Power Total (N/m s) 46.2 120.93
Cuadro 5.01 Resultados obtenidos en las sección del puente. Perfil 1
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FACUL TAO DE INGENIERfA CIVIL
Plan: Plan 02 RIVER-1 Reach-1 RS: 53 Profile: PF 2
E.G. US. (m) 35.22 Element
W.S. US. (m) 35.16 E.G. Elev (m)
Q Total (m3/s) 1868.9 W.S. Elev (m)
Q Bridge (m3/s) 1841.35 Crit W.S. (m)
Q Weir (m3/s) Max Chl Dpth (m)
Weir Sta Lft (m) Vel Total (m/s)
Weir Sta Rgt (m) Flow Area (m2)
Weir Submerg Froude # Chl
Weir Max Depth (m) Specif Force (m3)
Min El Weir Flow (m) 34.2 Hydr Depth (m)
Min El Prs (m) 37 W.P. Total (m)
Delta EG (m) 0.21 Conv. Total (m3/s)
Delta WS (m) 0.21 Top Width (m)
BR Open Area (m2) 1207.74 Frctn Loss (m)
BR Open Vel (m/s) 2.74 e & E Loss (m)
Coef ofQ Shear Total (N/m2)
Energy
Br Sel Method only Power Total (N/m s)
CAPITULO V
lnside BR lnside BR
us os
35.19 35.13
34.96 34.75
33.2 33.83
4.46 4.25
2.09 2.63
895.89 710.9
0.4 0.54
2014.81 1595.8
2.49 2.13
423.61 381.86
39028 28395.5
359.56 333.9
0.04 0.02
0.01 0.09
47.56 79.09
99.21 207.91
Cuadro 5.02 Resultados obtenidos en las sección del puente. Perfil 2
Con estos datos obtenidos se procederá a calcular la socavación por
contracción, en pilares y en estribos.
5.2 SOCAVACION POR CONTRACCION
Con el uso del programa HEC-RAS podemos fácilmente determinar los
resultados de socavación por contracción para el puente.
Cabe resaltar que para el cálculo de la socavación por contracción el programa
usa las ecuaciones y métodos de LAURSEN establecidas en el marco teórico
del Capítulo 11.
PILOTES EXCAVADOS PARA CIMENTACIONES PROFUNDASAPLICACIÓN PUENTE IGNACIO ESCUDERO -ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIDRAULICA FLUVIAL
SOUSA DONA YRE PIERO YTALO 51
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACUL TAO DE INGENIERIA CIVIL
5.3 SOCAVACION LOCAL
CAPITULO V
Con el uso del programa HEC-RAS podemos fácilmente determinar los
resultados de socavación local para el puente.
Cabe resaltar que para el cálculo de la socavación local el programa usa las
ecuaciones y métodos de COLORADO STATE UNIVERSITY (CSU) y
FROEHLICH establecidas en el marco teórico del Capítulo 11.
Así, en los siguientes cuadros se muestran los resultados obtenidos por medio
del programa HEC-RAS para el cálculo de la socavación.
PILOTES EXCAVADOS PARA CIMENTACIONES PROFUNDASAPLICACIÓN PUENTE IGNACIO ESCUDERO ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIDRAUL/CA FLUVIAL
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Hydraulic Design - Bridge Scour River=RIVER-1 Reach= Reach-1
Contraction Scour
Left
Ys (m): o
Ve (m/s): 0.41
Equation: Uve
Pier Scour
#1 (CL = 435) Ys (m):
#2 (CL = 465) Ys (m):
#3 (CL = 495) Ys (m):
#4 (CL = 525) Ys (m):
#5 (CL = 555) Ys (m):
#6 (CL = 585) Ys (m):
#7 (CL = 615) Ys (m):
#8 (CL = 645) Ys (m):
Abutment Scour
Left
Abutment Vs (m): 0.62
Froude #: 0.61
Equation: HIRE
Combined Scour Depths
Pier: #1 (CL = 435) (Contr + Pier) (m):
Pier: #2 (CL = 465) (Contr + Pier) (m):
Pier: #3 (CL = 495) (Contr + Pier) (m):
Pier: #4 (CL = 525) (Contr + Pier) (m):
Pier: #5 (CL = 555) (Contr + Pier) (m):
Pier: #6 (CL = 585) (Contr + Pier) (m):
Pier: #7 (CL = 615) (Contr + Pier) (m):
Pier: #8 (CL = 645) (Contr + Pier) (m):
Left abut + contr (m):
Right abut + contr (m):
CAPITULO V
RS = 53 BR
Channel Right
0.54 o
0.39 0.41
Uve Uve
1.53
2.37
2.39
2.24
1.99
1.86
1.85
2.3
Right
4.83
0.21
HIRE
Channel
1.53
2.37
2.39
2.77
2.53
2.39
2.39
2.83
0.62
5.36
Cuadro 5.03 Resultados de socavación obtenidos en las sección del puente.
Perfil 1
PILOTES EXCAVADOS PARA CIMENTACIONES PROFUNDASAPLICACIÓN PUENTE IGNACIO ESCUDERO· ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIDRAULICA FLUVIAL
SOUSA DONA YRE PIERO YTALO 53
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIER{A FACUL TAO DE INGENIERfA CIVIL
Hydraulic Design - Bridge Scour River=RIVER-1 Reach= Reach-1
Contraction Scour
Left
Ys (m): 1.07
Ve (m/s): 0.42
Equation: Live
Pier Scour
#1 (CL = 435) Ys (m):
#2 (CL = 465) Ys (m):
#3 (CL = 495) Ys (m):
#4 (CL = 525) Ys (m):
#5 (CL = 555) Ys (m):
#6 (CL = 585) Ys (m):
#7 (CL = 615) Ys (m):
#8 (CL = 645) Ys (m):
Abutment Scour
Left
Abutment Ys (m): 5.39
Froude #: 0.26
Equation: HIRE
Combined Scour Depths
Pier: #1 (CL = 435) (Contr + Pier) (m):
Pier: #2 (CL = 465) (Contr + Pier) (m):
Pier: #3 (CL = 495) (Contr + Pier) (m):
Pier: #4 (CL = 525) {Contr + Pier) (m):
Pier: #5 (CL = 555) (Contr + Pier) (m):
Pier: #6 (CL = 585) (Contr + Pier) (m):
Pier: #7 (CL = 615) (Contr + Pier) (m):
Pier: #8 (CL = 645) (Contr + Pier) (m):
Left abut + contr (m):
Right abut + contr (m):
CAPITULO V
RS = 53 BR
Channel Right
0.9 1.07
0.41 0.42
Live Live
1.89
2.46
2.48
2.45
2.25
2.14
2.14
2.5
Right
9.5
0.21
HIRE
Channel
2.96
3.53
3.55
3.35
3.15
3.04
3.04
3.39
6.46
10.4
Cuadro 5.04 Resultados de socavación obtenidos en las sección del puente.
Perfil 2
PILOTES EXCAVADOS PARA CIMENTACIONES PROFUNDAS -APLICACIÓN PUENTE IGNACIO ESCUDERO -ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIDRAUL/CA FLUVIAL SOUSA DONA YRE PIERO YTALO 54
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Con estos resultados podemos determinar la socavación tanto en pilares como
en estribos. Para dicho calculo se tomaran los resultados obtenidos del Perfil 2 el
cual es el más desfavorable.
Así se tiene:
Socavación en Pilares:
Pilar 435: 2.96 m
Pilar 465: 3.53 m
Pilar 495: 3.55 m
Pilar 525: 3.35 m
Pilar 555: 3.15 m
Pilar 585: 3.04 m
Pilar 615: 3.04 m
Pilar 645: 3.39 m
Socavación en Estribos:
Estribo Izquierdo: 6.46 m
Estribo Derecho: 10.40 m
000
r _ R. �1.,r_
' N F P - 9 -l4
ri re :e .:ie 29
,..,. �
�;-· ,...;
º;.l..L = 6 59
30 oc
I'. re .. :,-. r.; e·· --=-
T-:···i--r'
Figura 5.01 Replanteo del puente (parte izquierda)
PILOTES EXCAVADOS PARA CIMENTACIONES PROFUNDAS -APLICACIÓN PUENTE IGNACIO ESCUDERO -ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIDRAUL/CA FLUVIAL SOUSA DONA YRE PIERO YTALO 55
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J!i ri.r.P_ = 9 1s
�j�
JO 00 (� JO 00
= 27 34
IJ F_P - 9 64
22 60
� "'' . ""
n r P 10 1i;;
Figura 5.02 Replanteo del puente (parte central)
JO OO JO 00 20 00
CAPITULO V
�--- -, N f C -=- 30 . .J.J
, N ( P
_; _.i;::___:-1 Qt',
'º; 1 , N F P = 7 .!5
-,�
Figura 5.03 Replanteo del puente (parte derecha)
PILOTES EXCAVADOS PARA CIMENTACIONES PROFUNDAS -APLICACIÓN PUENTE IGNACIO ESCUDERO ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIDRAULICA FLUVIAL SOUSA DONA YRE PIERO YTALO
'¡, ··¡-: . .J;: �
\ r p "' 1.J _?.!
56
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FACUL TAO DE INGENIER{A CIVIL CAPITULO V
Podemos así visualizar la socavación existente a través del programa HEC-RAS .
... , l
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$1:::mon(n)
Figura 5.01 Socavación para el Perfil 1
1
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, - · - - .
Figura 5.02 Socavación para el Perfil 2
PILOTES EXCAVADOS PARA CIMENTACIONES PROFUNDASAPLICACIÓN PUENTE IGNACIO ESCUDERO -ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIDRAULICA FLUVIAL
SOUSA DONA YRE PIERO YTALO
� - Logctn:1
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a.o_,
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57
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FACUL TAO DE INGENIER{A CIVIL
5.4 OBRAS DE PROTECCION Y ENCAUZAMIENTO
CAPITULO V
Debido a que las velocidades de flujo para los perfiles 1 y 2 son pequeñas en
comparación a las establecidas por las normas peruanas, NO será necesario
realizar obras de protección y encausamiento.
Estas velocidades fueron calculadas con los resultados obtenidos por el
programa HEC-RAS.
V1 (aguas arriba) = 1.59 mis,
V2 (aguas arriba) = 2.09 m/s,
V1 (aguas abajo)= 2.17 m/s
V2 (aguas abajo) = 2.63 m/s
Otro parámetro que nos indica la NO inclusión de obras de protección son los
esfuerzos cortantes menores a 20. Las normas peruanas indican considerar
obras de protección cuando estos esfuerzos cortantes son mayores a 20.
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ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIDRAUL/CA FLUVIAL
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CONCLUSIONES
CONCLUSIONES
Después de re evaluar la quebrada Ignacio Escudero con la inclusión del nuevo
puente se puede concluir lo siguiente:
• El proyecto es de gran importancia para la conexión de las ciudades de
Piura en Perú y Guayaquil en Ecuador ya que generará mayor desarrollo
tanto económico como social.
• El Tramo Sullana - Talara - Aguas Verdes de la carretera Panamericana
Norte se encuentra en una zona semiárida, que presenta precipitaciones
de baja a regular intensidad en los meses de verano. La mayor parte del
tiempo los cursos de agua de mayor ancho están secos. Cuando se
produce el fenómeno "El Niño", las temperaturas del agua de mar
aumentan produciendo un aumento drástico en la intensidad y cantidad
de precipitaciones, las que ocasionan caudales de hasta dos órdenes de
magnitud mayores a los medios.
• En la zona del estudio existen varias estaciones climatológicas ordinarias
en las que se registra la precipitación diaria, pero la estación de Mallares
tiene información de las precipitaciones que ocurrieron durante la
Oscilación Sur el Niño (OSEN) de los años 1983 y 1998. Además esta
estación se encuentra cerca del cruce de la Quebrada Ignacio Escudero
con la carretera Panamericana. En otros estudios se usó la estación
Talara, la cual no incluye los periodos de lluvia extrema de 1983 y 1998.
Por este motivo, los caudales calculados en este estudio son mayores a
los calculados en un estudio anterior.
• Durante avenidas extremas el bloqueo de los vanos por material de
arrastre se presenta durante flujos extremos, en los cuales árboles y
arbustos son arrastrados por la corriente y atrapados en los pilares de los
puentes, disminuyendo el área efectiva de la abertura de los vanos.
• Un factor importante en la erosión de los terraplenes en la carretera
Panamericana es la presencia de flujos paralelos al eje de la vía que
destruyen la base al producir esfuerzos cortantes que remueven material
de los taludes. Por lo tanto es necesario proporcionar protección
adecuada de los terraplenes.
PILOTES EXCAVADOS PARA CIMENTACIONES PROFUNDAS -
APLICACIÓN PUENTE IGNACIO ESCUDERO
ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIDRAUUCA FLUVIAL
SOUSA DONA YRE PIERO YTALO 59
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERfA
FACUL TAO DE INGENIERfA CIVIL CONCLUSIONES
• El diseño Hidráulico realizado por la entidad encargada se asemeja
bastante al re calculado producto del presente trabajo.
• La línea de máxima pendiente (TALWEG) establecida por la entidad
encargada del proyecto no es la adecuada ya que no refleja la unión de
los puntos más bajos en cada sección de la quebrada.
• La magnitud de la socavación re calculada en pilares se realizo en cada
pilar por separado resultando esta desde un rango de 2.96 a 3.55 metros.
De este modo se pueden re ubicar las zapatas y la longitud de los pilares.
Así, la longitud de los pilares deben de estar en un rango de 7.84 a 10.12
metros como mínimo.
• La ubicación de las zapatas deben estar en un rango de 26.8 a 29.15
m.s.n.m.
• La longitud de los estribos debe de estar en un rango de 4.82 a 5.06
metros.
• El nivel de agua re calculado es de 35.16 m.s.n.m. por lo que se ubica el
tablero a 37 m.s.n.m. sumando un borde libre de 2 metros
aproximadamente.
PILOTES EXCAVADOS PARA CIMENTACIONES PROFUNDAS -APLICACIÓN PUENTE IGNACIO ESCUDERO
ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIORAULICA FLUVIAL
SOUSA DONA YRE PIERO YTALO 60
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RECOMENDACIONES
RECOMENDACIONES
Luego de evaluar el proyecto se recomienda a la entidad encargada del proyecto
considerar el replanteo de la línea de máxima pendiente (TALWEG) con el fin de
generar secciones transversales más reales.
Asimismo, la ubicación del tablero del puente debería estar a 2 metros de
distancia como mínimo como lo recomiendan las normas peruanas para la
construcción de puentes. Esta medida se mide desde la parte superior del
máximo nivel de agua el cual es de 35 m.s.n.m., es decir, debería estar ubicado
a 37 m.s.n.m.
El número de pilares proyectados por la entidad encargada del proyecto es de
1 O distribuidos en dos filas de 5 pilares cada uno por lo qt,Je se recomienda
considerar el nuevo diseño el cual requiere de un número de 16 pilares
distribuidos en dos filas de 8 pilares cada uno.
El caudal máximo de diseño obtenido del estudio hidrológico es de 1,868.90
m3/s, siendo este un caudal demasiado grande en comparación al área de la
cuenca la cual es de 152.47 Km2. por lo que se recomienda re calcular este
caudal con el fin de llegar a obtener datos reales de la quebrada.
La socavación en pilares re calculada sobrepasa la ubicación de las zapatas en
dichos pilares dañando a los mismos significativamente por lo que se
recomienda re ubicar las zapatas proyectadas más abajo. La nueva ubicación
estaría en un rango 26.8 a 29.15 m.s.n.m ..
En consecuencia se recomienda también aumentar la longitud de los pilares los
cuales estarían en un rango de 7.84 a 10.12 metros.
Para evitar los problemas de falta de capacidad de drenaje, se ha adoptado
como criterio de diseño respetar el ancho natural de los cauces durante eventos
extremos, basados en evidencias de campo y reportes de desastres. Se deben
demoler las estructuras provisionales para evitar la interferencia con el paso de
los caudales extremos.
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACUL TAO DE INGENIERÍA CIVIL BIBLIOGRAFIA
BIBLIOGRAFIA
• Autor: FHWA (Hydrologic Engineering Center - River Analysis System).
Título: Boletín informativo Titulado "HEC-18".
Editorial: Hydrologic Engineering Center.
Año: 2001.
País: Estados Unidos de Norteamérica.
• Autor: Hydrologic Engineering Center - U.S. Army Corps of Engineers
Título: Manual del Usuario del Software HEC-RAS (Hydrologic
Engineering Center - River Analysis System).
Editorial: Hydrologic Engineering Center.
Año: 2001.
País: Estados Unidos de Norteamérica.
• Autor: Técnica y Proyectos S.A.
Título: Archivos e Informes correspondientes al proyecto "Puente Ignacio
Escudero".
Editorial: Técnica y Proyectos S.A.
Año: 2005.
País: Perú.
• Autor: Universidad Nacional de Ingeniería - Facultad de Ingeniería Civil.
Título: Archivos e Informes del Curso de Titulación 2007 Titulado:
"CIMENTACIONES PROFUNDAS APLICADAS A OBRAS DE
INGENIERIA CIVIL".
Editorial: Universidad Nacional de Ingeniería - Facultad de Ingeniería
Civil.
Año: 2007.
País: Perú.
• Autor: lng. Martha Katherine Vasquez Matheus.
Tesis Titulada: "ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIDRAULICA FLUVIAL
CON FINES DE CIMENTACION PUENTE "TINGO".
Editorial: Universidad Nacional de Ingeniería - Facultad de Ingeniería
Civil.
Año: 2003.
País: Perú.
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ANEXOS
OCEANO PACIFICO
Ubicación de proyecto
Topografía de la quebrada
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SOUSA DONA YRE PIERO YTALO
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ANEXOS
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Quebrada Ignacio Escudero (Brazo aguas abajo de la quebrada)
Quebrada Ignacio Escudero (Talud de Rocas)
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ESTUDIO HIDROLOGICO Y DE HIDRAULICA FLUVIAL
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ANEXOS
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